DigiKey
Avtor: Rolf Horn
Konstruktorji ali projektanti AC/DC napajalnikov za industrijsko, tovarniško, stavbno in procesno avtomatizacijo, proizvodnjo in distribucijo električne energije, infrastrukturo ter podatkovne in telekomunikacijske aplikacije, se soočajo z številnimi izzivi na področju elektrotehnike, fizike, namestitve, vzdrževanja, varnosti in skladnosti.
Te izzive je mogoče rešiti s skrbno izbiro takoj dostopnih varovalk in napajalnikov za DIN tirnice, ki so posebej zasnovani za te aplikacije.
Ta članek ponuja kratek pregled izzivov, s katerimi se srečujemo pri uvajanju teh napajalnikov. Nato predstavlja serijo AC/DC in DC/DC napajalnikov na DIN tirnicah ter podporne varovalke podjetja RECOM Power [3], ki zanesljivo in varno zagotavljajo industrijsko kakovostno enosmerno napajanje.
Izzivi industrijske moči
Napajalniki za industrijske aplikacije morajo biti kompaktni, podpirati širok razpon trifaznih izmeničnih ali visokonapetostnih enosmernih vhodov, biti visoko učinkoviti, izpolnjevati številne zakonske zahteve, podpirati vzporedno delovanje za redundanco in zagotavljati robustno zaščito uporabnika in sistema. Prav tako morajo izpolnjevati specifikacije zmogljivosti v širokem temperaturnem območju, pri čemer uporabljajo le pasivno hlajenje, pokazati splošno robustnost z visokim povprečnim časom med okvarami (MTBF) ter biti stroškovno učinkoviti pri namestitvi in vzdrževanju.
Zahteve teh aplikacij izključujejo prilagojene modele in oblike, kar daje prednost napajalnikom in varovalkam za montažo na DIN tirnico. Izziv se zdaj preusmerja na skrbno izbiro, da se doseže optimalna rešitev za aplikacijo.
Napajalniki: začnite z embalažo
Napajalniki so pogosto podcenjeni zaradi njihove ključne vloge v celovitosti sistema. Njihova zasnova se začne z embalažo, ki vpliva na električne, mehanske in toplotne lastnosti v industrijskih okoljih. Zato so v skoraj vseh primerih industrijski napajalniki zasnovani za standardno montažo na DIN tirnico (slika 1).
Vodilo je pritrjeno na zadnjo ploščo omare ali ohišja opreme. Vsi električni moduli, kot so motorni pogoni, krmilniki zanke, napajanje, signalni vmesniki, varnostni podsistemi in komunikacijski vmesniki, so nameščeni na tem vodilu, pri čemer so vsi priključki za napajanje in signale dostopni s sprednje strani.
DIN tirnica se močno razlikuje od 19-palčnega stojala s sprednjimi in zadnjimi priključki za module. To stojalo se pogosto uporablja v laboratorijski opremi in sistemih za testiranje/merjenje. DIN tirnica je bolj priročna in praktična, saj je prostor v omari pogosto omejen zaradi števila modulov, ki jih mora vsebovati.
Mnoge AC/DC napajalne enote v industrijskih aplikacijah delujejo s trifaznim vhodom 320 do 575 voltov AC (VAC) in morajo zagotavljati čisto, stabilno in na prehodne pojave odporno napetost 24 ali 48 voltov DC (VDC) za obremenitve, kot so krmilniki motorjev. Poleg tega mnoge aplikacije zdaj zahtevajo delovanje iz visokonapetostnega enosmernega vira od 430 do 815 voltov. Uporaba enosmernega vira je primerna za aplikacije avtomatizacije tovarn na podlagi mikroomrežij in za rešitve obnovljive energije, vključno z bioplinom, fotovoltaiko in vetrnimi napravami.
Da bi zagotovili zahtevne pogoje za napajanje industrijskih aplikacij z montažo na DIN tirnico, lahko projektanti uporabijo trifazno družino AC/DC napajalnikov RACPRO1 [4] podjetja RECOM Power. Ti se lahko uporabljajo tudi z visokonapetostnimi enosmernimi vhodi.
Na primer, RACPRO1-T240/24, RACPRO1-T480/24 [5] in RACPRO1-T960/24 [6] (slika 2, od leve proti desni) zagotavljajo moč 240, 480 oziroma 960 vatov z izhodno napetostjo 24 voltov. Na voljo so tudi različice z izhodno napetostjo 48 voltov, ki so sicer identične. Poleg tega je mogoče nazivne izhodne napetosti teh napajalnikov nastaviti do 28 voltov iz 24 voltov in do 56 voltov iz 48 voltov.
Pomembna značilnost teh modulov je njihova kompaktna oblika. Širina posameznega napajalnika je 43, 52 in 80 mm (1,69, 2,05 in 3,15 palca). Vsi trije moduli so visoki 135 mm (5,31 palca), njihova globina pa se razlikuje glede na model in znaša od 140 do 156 mm (5,51 do 6,14 palca). Pomembna lastnost za monterje in tehnike je, da so moduli zasnovani za hitro, enostavno in brez orodja namestitev in odstranitev, in sicer z uporabo vstavljivih žičnih sponk s 25° vstavljivimi konektorji.
Visoka učinkovitost serije RACPRO1 znižuje obratovalne stroške in zmanjšuje toploto, ki jo ustvarja napajalnik. Zato je potreben manjši hladilnik in manjša površina za odvajanje toplote.
Te napajalniki ne potrebujejo prisilnega hlajenja z ventilatorji ali drugimi aktivnimi sistemi; zasnovani so tako, da se hladijo izključno z naravno konvekcijo, kar je dodatna prednost v industrijskih okoljih. Vsak modul vključuje dva ločena kanala za pretok zraka, da se maksimira „učinek dimnika“ za hlajenje.
Majhna velikost in visoka učinkovitost te serije sta doseženi z inteligentno zasnovo in izbiro komponent. Enota RACPRO1-T960/24 ima učinkovitost 96 %; enoti RACPRO1-T240/24 in RACPRO1-T480/24 imata učinkovitost 94,1 % oziroma 95 %. Poleg tega te napajalne enote kljub temu, da zagotavljajo več sto vatov, brez obremenitve porabijo le približno 1 vat.
Učinkovitost in hlajenje teh napajalnikov omogočajo njihovo uporabo pri visokih delovnih temperaturah. Napajalnik RACPRO1-T960/24 z močjo 960 W lahko zagotavlja polno izhodno moč do 60 °C, napajalnik RACPRO1-T240/24 z močjo 240 W pa ima nekoliko višji zgornji razpon do 70 °C.
Visoke temperature niso edina skrb; mnogi sistemi, kot so zunanja HVAC oprema, so izpostavljeni tudi ekstremnemu mrazu. Da bi zadovoljili to potrebo, so izdelki RACPRO1 namenjeni za delovanje pri temperaturi -40 °C.
Električne zmogljivosti in lastnosti
Napajalnik za industrijska okolja mora biti sposoben več kot le zagotavljati nazivno napetost v razponu vhodnih napetosti in obremenitev. Druge zahtevane lastnosti vključujejo visoko odpornost proti povratni napetosti, razširjeno odpornost proti prenapetosti in zmogljivost povečanja moči:
Pri vklopu ali izklopu induktivnega bremena, kot je motor, lahko pride do povratnega toka (imenovanega tudi povratno napajanje – angl. backfeeding) v izhod napajalnika. Odpornost proti povratni napetosti je sposobnost, da se upre povratni napetosti. V napajalnikih RACPRO1 ima 24-voltni izhod odpornost proti povratni napetosti do 35 voltov, medtem ko ima 48-voltni izhod odpornost do 63 voltov.
Za prenapetosti na vodih imajo te enote podaljšano odpornost proti prenapetostim do 6 kilovoltov (kV), kot je določeno v veljavnih industrijskih in regulativnih standardih.
Ta napajala zagotavljajo možnost povečanja moči, da se prilagodijo obremenitvam, ki za kratek čas zahtevajo več kot nazivno izhodno moč. Na primer, visokozmogljivo napajalno enoto RACPRO1-T960/24 je mogoče za 6 sekund povečati moč na 150 %, s čimer se odpravijo številne motnje zaradi obremenitev pri prehodnih pojavih.
Druga uporabniku prijazna lastnost enot RACPRO1 z močjo 480 in 960 vatov je preprosta, ena sama navpična LED vrstica (slika 3), ki prikazuje odstotek nazivne izhodne moči, ki jo napajalnik zagotavlja.
Zanesljivost z analizo, načrtovanjem in presojanjem
Vsaka aplikacija zahteva zanesljivost. Pri enotah RACPRO1 visoka učinkovitost zmanjšuje odvajanje toplote, s čimer se izboljša zanesljivost komponent. Serija RACPRO1 je zasnovana za maksimalno zmogljivost in učinkovitost, pri čemer upošteva ključne kazalnike, vključno s toplotno zmogljivostjo, MTBF in vgrajenimi zaščitnimi funkcijami. Poleg tega integrirane zaščitne funkcije, vključno z zaščito pred prenapetostjo, kratkim stikom in toplotnim izklopom, povečujejo trajnost in zagotavljajo neprekinjeno delovanje v zahtevnih industrijskih okoljih.
Da bi potrdili dolgoročno zanesljivost, RECOM vsak model podvrže strogim testom življenjske dobe, vključno s podaljšanimi simulacijami obremenitev, preskusi udarcev in vibracij ter ocenami vzdržljivosti pri visokih temperaturah. Modeliranje, analiza in testiranje kažejo, da je življenjska doba teh napajalnikov približno 80.000 ur pri 40 °C v najbolj obremenjenih pogojih, pri polni obremenitvi.
Kljub temu obstajajo aplikacije, pri katerih je tudi redka napaka, bodisi zaradi notranjih ali zunanjih dejavnikov, nesprejemljiva. Za te aplikacije modeli RACPRO1-T480/24 in -T960/24 omogočajo vzporedno povezavo dveh ali več enot za redundanco ali povečano izhodno zmogljivost (slika 4).
Ta ureditev zagotavlja redundanco in podpira tudi porazdelitev obremenitve, pri čemer oba napajalnika enakomerno porazdelita moč. Te lastnosti preprečujejo izpad sistema in ohranjajo stabilno napajanje v industrijskih okoljih avtomatizacije in drugih operacijah, kjer lahko prekinitve vplivajo na produktivnost in varnost. Poleg tega dobro definirane izhodne lastnosti konstantne napetosti/konstantnega toka (CV/CC) teh napajalnikov omogočajo polnjenje baterije za dodatno rezervno napajanje.
Izpolnjevanje zakonskih zahtev
Napajalniki, tako kot drugi elektronski izdelki, so predmet številnih zakonskih predpisov. Nekateri od njih se nanašajo na operativne vidike, kot so faktor moči (nad 0,9 za te napajalnike), elektromagnetne motnje (EMI), učinkovitost pri različnih ravneh moči in izguba moči brez obremenitve. Drugi predpisi se nanašajo na varnost.
Med številnimi certifikati o električni zmogljivosti so ti napajalniki skladni s standardoma EN 61000-6-4 razred B (emisije) in EN 61000-6-2 (odpornost). Enote so certificirane tudi v skladu z globalnimi varnostnimi standardi IEC/EN/UL 62368-1, IEC/EN/UL 61010-1 in IEC/EN/UL/CSA 61010-2-201.
Dodajte varovalko, za vsak primer.
Glede na številne zaščitne lastnosti teh naprav se zdi, da varovalka, ki se sproži pri prekomernem toku, ni potrebna. To je morda res, vendar jo lahko projektanti namestijo za vsak primer ali, kar je bolj verjetno, ker to zahteva električni predpis, ki velja v času namestitve.
Da bi izpolnili to potrebo, serija RACPRO1 podpira modul elektronske varovalke (e-varovalka) RACPRO1-4SP/24V/5A [7] za DIN tirnico (slika 5), ki je v celoti odobren za uporabo namesto konvencionalne toplotne varovalke ali odklopnika. Upoštevajte, da se ta enota lahko uporablja z vsakim napajalnikom, ne le s serijo RACPRO1.
RACPRO1-4SP/24V/5A je kompaktna naprava, meri 110,2 × 72,0 × 61,9 mm (4,34 × 2,83 × 2,44 palca) in deluje kot nadzorni element, priključen na glavno enosmerno napajalno napetost. Ta 5-amperski (A) modul (na voljo je tudi 10-amperska različica) razporedi 24 VDC na štiri ločeno krmiljene kanale z neodvisnim nadzorom omejitve prenapetosti in prikazom izhodnega toka v realnem času.
Kanali se vklopijo zaporedno, da se zmanjša vhodni tokovni sunek z vnaprej nastavljivim časovnim zamikom. V primeru preobremenitve sistema bodo kanali odklopili obremenitve v obratnem zaporedju, pri čemer bodo bistvene funkcije delovale do konca. Čeprav so kanali operativno povezani, je mogoče vsak kanal vklopiti ali izklopiti neodvisno, da se olajša diagnostika napak ali vzdrževanje.
Modul e-varovalke je veliko več kot le preprost nadomestek klasične termične varovalke, ki pregori ob prenapetosti. Nadzorujejo ga notranja logična vezja, ki ščitijo in dajejo prednost obremenitvam in napajalnikom, ter dinamično zaznavajo in se odzivajo na prekomerne tokove, prenizke in previsoke napetosti.
Vsak kanal je zaščiten neodvisno, zato preobremenitve ali napake na posamezni obremenitvi ne vplivajo na splošno zanesljivost ali funkcionalnost sistema. Poleg osnovnega maksimalnega toka kanala 5 A modul zagotavlja 150-odstotno povečanje moči za 5 sekund in lahko prenese več kot 150-odstotno preobremenitev do 100 milisekund (ms), da se prepreči neželeno izklapljanje. To so pomembni dejavniki v industrijskih napravah, kjer so spremembe obremenitve, zastoj motorjev, tokovni sunki ob zagonu in drugi motilni dogodki pričakovani in neizogibni.
Kot dodatna funkcija za odpravljanje napak ima vsak kanal LED-pas za prikaz stanja (slika 6). Prikazuje stanje izhodnega toka, ki se spreminja iz zelene barve v rumeno (tok v mejah), oranžno (tok na meji) in rdečo (prevelik tok ali kratki stik).
Kot dopolnilo k napajalnikom RACPRO1 imajo te e-varovalke tudi pričakovano življenjsko dobo več kot 80.000 ur pri 40 °C in omogočajo enostavno ožičenje z vtičnimi in vzvodnimi priključki, ki ne zahtevajo orodja.
Zaključek
Napajalniki za industrijske aplikacije morajo zanesljivo in učinkovito zagotavljati nižjo enosmerno napetost iz višje omrežne izmenične napetosti. Moduli RACPRO1 za montažo na DIN tirnico podjetja RECOM Power izpolnjujejo te zahteve, hkrati pa poenostavljajo namestitev in vzdrževanje. Dodatni štirikanalni modul e-varovalke zagotavlja neodvisne kanale, hkrati pa omogoča njihovo povezovanje za učinkovitejše delovanje in izboljšano odkrivanje in upravljanje napak.
Povezana vsebina
1: Kako preprosta DIN-tirnica rešuje modularnost, prilagodljivost in udobje v industrijskih sistemih:
https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2019/sep/how-the-simple-din-rail-solves-for-modularity-flexibility-convenience
2: RECOM Power RACPRO1 serija DIN Rail napajalniki PIO (video):
https://www.digikey.com/en/videos/r/recom-power/recom-power-racpro1-series-din-rail-power-supplies-pio-digikey
Viri:
3: https://www.digikey.com/en/supplier-centers/recom-power
5: https://www.digikey.com/en/products/detail/recom-power/RACPRO1-T480-24/25666401
6: https://www.digikey.com/en/products/detail/recom-power/RACPRO1-T960-24/25666414
7: https://www.digikey.com/en/products/detail/recom-power/RACPRO1-4SP-24V-5A/25666404
